(57)【要約】【課題】  ピストンリング母材の外周面に硬質皮膜が形成され、かつ少なくとも上下いずれかの側面に化成処理皮膜を施したピストンリングにおいて、アルミニウム合金製ピストンを摩耗させず、かつ耐摩耗性が優れたピストンリングを提供する。【解決手段】ピストンリング母材は、重量比でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．６５〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ硬質皮膜がＰＶＤ処理または高速フレーム溶射による皮膜である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング母材の外周面に硬質皮膜が形成され、かつ少なくとも上下いずれかの側面に化成処理皮膜を施したピストンリングにおいて、前記ピストンリング母材は、重量比でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．６５〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ前記硬質皮膜がＰＶＤ処理または高速フレーム溶射による皮膜であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
【請求項２】
ピストンリング母材の外周面に硬質皮膜が形成され、かつ少なくとも上下いずれかの側面に化成処理皮膜を施したピストンリングにおいて、前記ピストンリング母材は、重量比でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．６５〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、及びＮｉ：０．０５〜０．５％及び／又はＭｏ：０．０５〜１．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ前記硬質皮膜がＰＶＤ処理または高速フレーム溶射による皮膜であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
【請求項３】
前記PVD処理または高速フレーム溶射後の母材硬度が４５０Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用ピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関用ピストンリングは、鋳鉄またはシリコン−クロム鋼等の鋼材で作られており、これら母材の耐摩耗性、耐焼付性、耐凝着性、摩擦係数等の摺動特性を改善するために、外周面に硬質クロム電気めっきが施されてきた。
【０００３】
これらのピストンリングとアルミニウム合金製ピストンのピストンリング溝との間に凝着が発生することがあるので、ピストンリング側面に化成処理を施す対策がとられている。
例えば、特許文献１には、重量比でＣ：０．５９〜０．７６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材から構成されるピストンリングが報告されている。また、特許文献２には、重量比でＣ：０．５９〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材から構成されるピストンリングが報告されている。ここで、これらの鋼材からなるピストンリング側面に化成処理を施すことによりアルミニウム合金の初期凝着が抑制され、且つ外周面に硬質クロムメッキ皮膜を形成することにより、耐摩耗性が向上することが示されている。
【０００４】
しかし、硬質クロムメッキ法ではメッキ廃液の処理にコストがかかり、また、処理時間が長く生産性が悪い等の問題がある。更に、近年、内燃機関の高出力化に伴い、より摺動特性に優れるピストンリングが求められている。このような要求に対して外周面にＰＶＤによる窒化クロム皮膜を施したピストンリング、高速フレーム溶射による溶射皮膜を施したピストンリングが開発されている。ＰＶＤ処理による硬質皮膜は耐摩耗性、耐焼付性に優れるばかりでなく、摩擦係数が低いことから低燃費エンジンへ適用が広がっている。一方、高速フレーム溶射処理による溶射皮膜は耐摩耗性に優れるばかりでなく、高い密着性を有しているので、0.1mm以上の厚い膜厚も可能で高出力エンジンに適用が広がっている。しかし、従来のシリコン−クロム鋼母材ではＰＶＤ処理や高速フレーム溶射により外周に硬質皮膜を形成する場合、コーティング時の温度上昇により、ピストンリング母材に熱ヘタリが生じ、張力及び形状がバラツキ易い。コーティング時の母材温度の上昇は、成膜速度を低下させ、あるいは母材予備加熱温度を低くすることにより、抑えることも出来るが、硬質皮膜の密着性や生産性が落ちるので得策ではない。
【０００５】
一方、高クロム含有ステンレス鋼母材は耐摩耗性や熱へたりの問題は無いが、アルミニウム合金製ピストンリング溝を摩耗させることが問題となる。また、高クロム含有ステンレス鋼は化成処理が困難なため、相対するピストンリング溝との凝着摩耗の防止は困難である。
【０００６】
鋼材中の成分組成比や組織を制御することにより、ピストンリングに要求される各種特性を改善する手法についてはこれまでに多くの報告がされている。例えば、特許文献３には鋼材の組成比を制御し、鋼材中に必然的に含まれる酸化物介在物の最大厚さを規定することにより加工性や疲労強度を改善した窒化処理用ピストンリング用鋼材が提案されている。
しかし、外周表面処理としてＰＶＤ或いは高速フレーム溶射を施しても熱へたりが起こらず、且つ側面への化成処理が容易な材料という観点での報告はなく、優れた摺動特性及びＡｌ凝着防止効果を兼ね備えた低コスト化が可能なピストンリングはこれまでに見いだされていない。
【特許文献１】特開２０００−３４５４３号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５４３号公報
【特許文献３】特開２０００−２８２１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は係る問題点に鑑みなされたものであって、摺動特性に優れ、且つアルミニウム合金製のピストンのリング溝を摩耗させることのないピストンリングを安価に提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ピストンリング母材の外周面に硬質皮膜が形成され、かつ少なくとも上下いずれかの側面に化成処理皮膜が施されたピストンリングにおいて、前記ピストンリング母材が、重量比でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．６５〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする内燃機関用ピストンリングを提供する。
【０００９】
ピストンリング本体を前記組成比の鋼材製とすることにより外周摺動面にＰＶＤ処理や高速フレーム溶射を行う際、熱へたり等の問題を生じることがなく、さらに側面には良質の化成処理皮膜を被覆することができる。このようなピストンリングは摺動特性に優れ、ピストンリング自体の摩耗量が低減されるとともに、初期なじみ性に優れ、アルミニウム合金製リング溝との凝着摩耗が大幅に抑制される。さらに、シリコン−クロム鋼をベースとしているため低コストでの製造が可能である。
【００１０】
また、重量比でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．６５〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼製ピストンリングに０．０５〜０．５％のＮｉ及び／又は０．０５〜１．０％のＭｏを添加することにより鋼材の耐熱性がさらに向上し、ピストンリングの張力及びサイズのバラツキをより低減させることができる。
【００１１】
次に本発明のピストンリングの限定理由を述べる。
本発明のピストンリング外周面には、CrN、TiNなどのセラミックス皮膜を形成するＰＶＤ処理、またはCr-C／Ni-Cr，WC-Coなどのサーメット皮膜を形成する高速フレーム溶射処理(High Velocity Oxyfuel, High Velocity Air Fuel)が適用される。皮膜の厚さは通常、PVD処理皮膜では3〜60μm、高速フレーム溶射皮膜では50〜300μmである。ＰＶＤ処理において生産性及び密着性の見地から母材温度は500℃以上と高く設定した方が良い。しかし母材の温度上昇が大きい場合、母材の熱ヘタリのためピストンリングの張力及び形状がバラツキやすい。高速フレーム溶射処理では高速の溶融粒子によって母材が温度上昇し、同様にピストンリング母材の熱ヘタリのため張力及び形状がバラツキやすい。従って、本発明のピストンリング材は高温でのＰＶＤ或いは高速フレーム溶射処理においても熱ヘタリを生じない耐熱性の優れた鋼材でなければならない。
【００１２】
そこで、本発明では、ＰＶＤ処理または高速フレーム溶射処理によるピストンリングの熱ヘタリを防止でき、且つ相対するアルミ合金製ピストンリング溝と良好な摺動状態とするため化成処理を容易に施せる鋼材を選択した。即ち、本発明の母材は重量％でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．６５〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。さらに、Ｎｉ：０．０５〜０．５％及び／またはＭｏ：０．０５〜１．０％を含有してもよい。ピストンリングをこのような鋼材とすることによって、ＰＶＤ処理または高速フレーム溶射処理後のピストンリングの熱ヘタリが防止でき、張力及び形状のバラツキが少なく、安定して得られるようになり、生産性や密着性も損なわれることがない。
【００１３】
化成処理は母材のままでも窒化層を有していても容易に施すことが出来る。窒化処理をしない場合は、側面摩耗及び疲労強度の見地から、表面処理後の母材硬さが450HV以上であることが好ましい。
ここで、化成処理皮膜及び皮膜形成方法は特に限定されず、通常の方法が適用できる。皮膜としては、例えば、リン酸マンガン系或いは、リン酸亜鉛系のリン酸塩皮膜や、Ｆｅ３Ｏ４等の酸化鉄皮膜が挙げられる。また、被覆方法としては浸漬法やスプレイ法が挙げられる。
【００１４】
次にピストンリング母材各成分の限定理由を述べる。
ＣはＦｅ中に固溶し、強度に寄与する元素であり、また一部は炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する重要な元素であるため、少なくとも０．５０％は必要である。しかしＣはＮと同様Ｆｅ中において侵入型固溶元素であるため、多量の添加は加工時の伸び・絞りの低下を招き、耐熱性向上のため添加する元素との間の多量の炭化物形成は、元素添加の効果を弱める。また、窒化処理によって大きな炭窒化物を形成し、相手材のアルミニウム合金を摩耗させることになるので、上限を０．７０％とした。
【００１５】
ＳｉはＦｅ中に固溶し、耐熱性を向上させる重要な元素であるため、少なくとも１．６５％は必要である。しかし多量の添加は冷間加工性を低下させるだけでなく、熱伝導率を低下させることにより、摺動による接触面の昇温を助長し、耐焼付性を害するため上限を２．５０％とした。
【００１６】
ＭｎはＦｅ中に固溶し、焼入性向上元素として不可欠の成分であり、また疲労強度にも寄与する元素で少なくとも０．５０％は必要である。しかし多量の添加は熱間加工性を低下させるため、上限を１．５０％とした。
【００１７】
Ｃrは焼入れ焼戻しにより炭化物を形成する元素であり、耐摩耗性付与のため重要である。また耐熱性・耐酸化性を向上させる元素でもある。これらの効果を十分に得るためには、少なくとも０．５０％以上の添加が必要である。しかし、多量の添加は多くの粗大炭化物を形成し靭性を低下させること、また含有量が３．０％を超える場合、化成処理が困難となることから３．０％を上限とした。
【００１８】
Ｖは熱へたり特性を改善する効果があり、少なくとも０．０５％以上含有させなければならない。しかし０．５％を超えて含有させると靱性が低下するため０．５０％を上限とした。
【００１９】
Ｎｉは熱へたり性及び靭性を向上させる効果を有する。この効果を発揮させるには少なくとも０．０５％以上の添加が必要である。しかし過剰に含有させると母材に表面キズが発生しやすくなり逆効果となるので、０．５０％を上限とした。
Ｍｏは炭化物生成元素であり熱へたり特性および耐疲労特性の向上させる効果を有する。また窒化特性も向上させる。この効果を発揮させるには少なくとも０．０５％以上のMo添加が必要である。しかし０．５０％を超えてMoを添加してもあまり効果がないので０．５０％を上限とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に実施例により本発明の特徴を比較材と比べて説明する。
【００２１】
【表１】
2005061389.tif 000002
【００２２】
表１に本実験に用いた材料の化学成分（重量％）と芯部の硬さを示す。表中の比較材１〜４は現在ピストンリングとして使用されている材料を用いたもので、比較材１は炭素鋼（SWRS82A）、比較材２はシリコンクロム鋼（SWOSC-V）、比較材３は１７Ｃｒステンレス鋼（SUS440B）、比較材４は１３Ｃｒステンレス鋼（SUS420J2）である。これらの材料を電気炉で溶製し鋳造し、熱間圧延を行ってコイル状に成形後、引き抜き加工し、焼入れ焼戻しされた線材に通常の成形及び後加工を施してφ８６×１．２×３．１のピストンリングを作製した。
【００２３】
表１に示す材料により作製したピストンリングを各２０本、外周面を揃えスタックし、通常の前処理を実施後、陰極アーク式イオンプレーティング装置にてイオンプレーティングを行い、ピストンリング外周面に窒化クロムの皮膜を形成した。その後、ピストンリング各１本を切断し、断面からイオンプレーティング膜厚さ、及び母材硬さを測定した。また、皮膜構造はリング外周面のＸ線回折により同定した。尚、イオンプレーティング条件は下記の通りである。
【００２４】
イオンプレーティング条件 
１．アーク電流     −     ２００Ａ
２．バイアス電圧   −     −１０Ｖ
３．予熱温度       −     ５００℃
４．窒素ガス圧     −       １０ｍＴｏｒｒ
５．ターゲット     −     純Ｃｒ
６．処理時間・・・・−    ２００分
【００２５】
また、表１に示す材料により作製したピストンリングを各２０本、外周面を揃え、真円状態でスタックし、通常の前処理を実施後、高速フレーム溶射装置にて溶射処理を行いピストンリング外周面に溶射皮膜を形成した。溶射皮膜は炭化クロムとニッケルクロムの混合粉末を用いたものである。その後、ピストンリング各１本を切断し、断面から溶射皮膜厚さ、硬さ、及び母材硬さを測定した。溶射条件は下記の通りである。
【００２６】
高速フレーム溶射条件 
１．使用ガン             −   HVOFガン（スルザーメテコ社製ＤＪガン）
２．使用粉末             −   Ｃｒ−Ｃ／ＮｉＣｒ混合粉末
３．酸素ガス圧           −   １４０ｐｓｉ
４．プロピレンガス圧     −     ９０ｐｓｉ
５．エア圧               −     ７５ｐｓｉ
６．粉末供給量           −     ４０ｇ／分
７．処理時間                        ２０分
【００２７】
イオンプレーティング処理又は高速フレーム溶射処理後に、燐酸マンガン系の化成処理を実施した。使用薬品は  日本パーカーライジング（株）パルホスＭＪである。処理後、側面化成処理膜の付着状態を判定した。
【００２８】
【表２】
2005061389.tif 000003
【００２９】
※１）  自由合口隙間寸法バラツキ比とは、自由合口隙間寸法の標準偏差比率である。
表面処理前の比較材１を基準とした。
※２）  化成処理欄で、○は良好な皮膜状態、×は成膜出来ず、を示す。
※３）  イオンプレーティング処理による窒化クロム皮膜はすべてＸ線回折の結果、ＣｒＮと同定した。
【００３０】
それぞれの発明材及び比較材にイオンプレーティング或いは高速フレーム溶射処理を行った後の母材硬さ及び自由合口隙間寸法のバラツキ比を評価した結果を表２に示す。表２より、本発明材のピストンリングは比較例の現行材に比べてイオンプレーティング或いは高速フレーム溶射処理後の硬さの低下が少ないことがわかる。ここで、すべての発明材においてイオンプレーティング或いは高速フレーム溶射処理後の母材硬さは450HV以上に維持された。このように表面処理後の母材が高硬度に保たれることにより、ピストンリングの側面摩耗が低減され、且つ優れた疲労強度が得られる。
【００３１】
また、自由合口隙間寸法は、ピストンリングの重要な設計因子の一つであり、耐熱性の低い材料においては、工程の熱負荷により熱へたりが生じ、寸法バラツキが増大してしまう傾向がある。表２より、発明材１の自由合口隙間寸法バラツキ比はイオンプレーティング、高速フレーム溶射のいずれの処理後も比較材１及び２に比べて著しく小さく、耐熱性の優れた高クロム含有ステンレス材である比較材３及び４と同程度であった。したがって、本発明材は耐熱性が高く、所望の張力及び形状を安定して得やすいことがわかる。発明材１にＮｉ又はＭｏを添加した発明材２及び３では自由合口隙間寸法のバラツキがさらに低減していることから耐熱性がより向上していることがわかる。また、Ｎｉ及びＭｏをともに添加することにより耐熱性がさらに向上することがわかった。
化成処理性については、いずれの発明材でも良好な化成処理皮膜を形成することが出来た。一方、比較材３及び４は自由合口隙間寸法のバラツキは小さかったものの側面への化成処理が困難で良好な皮膜が得られなかった。また、比較材１及び２は側面に良好な化成処理皮膜はできたが、上述したように耐熱性に問題があり安定した形状が得られなかった。
以上の結果から、本発明材では、イオンプレーティング或いは高速フレーム溶射処理後の寸法バラツキが少なく、且つ良好な化成処理膜が得られることが確認された。
また、本願の発明鋼のピストンリングに窒化処理をした場合、すべての発明材に於いて表面硬さが1000HV0.1未満、700HV0.1以上の硬さを得ることが出来た。窒化後でも側面には良好な化成処理膜を形成できることも確認した。ピストンリング側面の自己摩耗が問題となる場合には窒化処理も適用できる。
【００３２】
次に、上記発明に係るピストンリングを最終加工まで仕上げ、エンジンによる摩耗テストを実施した。尚、比較用として、比較材２及び比較材３のピストンリングを同時にテストした。エンジンテスト条件及び結果は下記の通りである。
【００３３】
１．エンジンテスト条件
（ａ）使用エンジン
水冷６気筒２０００ｃｃエンジン
（ピストンリング   1st  φ８６×１．２×３．１）
（ｂ）６０００ｒｐｍ×４／４×１００時間
【００３４】
【表３】
2005061389.tif 000004
【００３５】
１）実施例１：発明材１にイオンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を成膜し、上下側面に燐酸マンガン系化成処理をしたもの
２）実施例２：発明材１をガス窒化後にイオンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を成膜し、上下側面に燐酸マンガン系化成処理をしたもの
３）比較例１：比較材２にＣｒめっき皮膜を成膜し、側面に燐酸マンガン系化成処理をしたもの
４）比較例２：比較材３に高速フレーム溶射皮膜（Ｃｒ−Ｃ／ＮｉＣｒ混合）を成膜したもの。上下側面への化成処理皮膜は出来なかった。
５）比較例３：比較材３をガス窒化後にイオンプレーティング皮膜（ＣｒＮ）を成膜し、上下側面に燐酸マンガン系化成処理をしたもの。
【００３６】
エンジン試験から以下のことが言える。
（１）実施例１の結果から、本発明ピストンリングはイオンプレーティング皮膜の効果でピストンリング外周面の摩耗が少ないばかりでなく、表面処理後の母材硬さが比較的高いため、ピストンリング自身の上下側面摩耗も少なく、相手アルミピストン溝摩耗も少ない。また化成処理皮膜を上下側面に有する場合、ピストンリング自身の上下側面摩耗も少なく、相手アルミニウムピストン溝摩耗をより一層低減できる。
（２）実施例２の結果から、本発明ピストンリングの側面に窒化層を有するものはピストンリング自身の上下側面摩耗をさらに低減できる。
（３）比較例１の結果より現用鋼の上下側面に化成処理を施すことによりピストンリング自身の上下側面摩耗及び相手アルミピストン溝の摩耗とも低いが、外周面の皮膜がＣｒめっき皮膜の場合、イオンプレーティング皮膜に比べ、ピストンリング外周面の摩耗量が多いことがわかった。
（４）比較例２の結果から、１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を母材としたピストンリングは耐熱性があり表面処理後の昇温によっても熱ヘタリを起こさないが、当初から硬さが低いことと、化成処理皮膜を形成出来ないことから、ピストンリング上下側面自身の摩耗が多くなってしまう。また相手アルミニウムピストン溝摩耗も増加させる。なお、高速フレーム溶射皮膜の効果でピストンリング外周面の摩耗は少ないことがわかった。
（５）比較例３では、１７Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を母材としたピストンリングの側面に窒化処理を施すことにより化成処理皮膜を容易に形成することができた。これにより、ピストンリング自身の上下側面の摩耗は低減されたが、相手アルミピストン溝の摩耗は増加した。これはマルテンサイト系ステンレス鋼では窒化処理により母材の表面粗さが大きくなるため相手材攻撃性が高く、化成処理の効果が得られなかったためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
重量％でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．２０〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする鋼材、或いは、加えてＮｉ：０．０５〜０．５％及び／またはＭｏ：０．０５〜１．０％を含有することを特徴とする母材を用いることにより、ＰＶＤ処理または高速フレーム溶射処理後のピストンリングの熱ヘタリが防止でき、所定の張力及び形状を安定して得られるようになる。生産性や密着性も損なわれることがない。また、適当に高い母材硬さを有すること、ピストンリングへの化成処理が容易であることから、ピストンリング上下側面と相手アルミニウム合金ピストン溝との摺動特性を良好とする。